Materiali innovativi e applicazioni della stampa 3D in settori diversi e adiacenti al manifatturiero tradizionale
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STAMPA 3D PROFESSIONALE - DESIGN, PROTOTIPAZIONE E PRODUZIONE INDUSTRIALE
Materiali innovativi e applicazioni della
stampa 3D in settori diversi e adiacenti al
manifatturiero tradizionale
Giorno dopo giorno la lista di materiali stampabili si allunga, arricchendosi in continuazione
anche di nuove combinazioni. Come abbiamo già accennato si può già stampare, già da
adesso, con quasi tutti i materiali più comuni. Ma non solo: in alcuni casi è possibile stampare
micro strutture in modo tale da risaltare le caratteristiche di plastiche, metalli e ceramiche.
Il MIT - Massachusetts Institute of Technology, ha condotto recentemente esperimenti su
combinazioni di materiali aumentandone la resistenza in rapporto di 1 a 3000. Oggetto di queste
ottimizzazioni possono essere anche elasticità, conduttività e meccanica (i cosiddetti metalli
intelligenti che assumono forme particolari in base alla conduzione). Quindi bisogna pensare
a questi materiali, non solo in termini di caratteristiche naturali ma anche di quelle ottenibili in
base a una progettazione intelligente, con risultati spesso impossibili con i sistemi di produzione
tradizionali.
Figura 8.9
Lista sommaria dei materiali utilizzabili con le stampanti 3D.
Oltre alla già considerevole lista di materiali plastici, si aggiungono anche quelle delle polveri
metalliche che utilizzano metodi di “sintering”, cioè la concentrazione di uno o più laser per
fondere e sommare strati di materiale, oppure quelli più sofisticati di EBM sottovuoto. Questi
processi non solo stanno erodendo il mercato delle macchine utensili specializzate e dei loro
prodotti, ma anche quello dell’elettronica. Se a materiali conduttori tradizionali si aggiungono
polveri “sporche”, siamo in grado di stampare semiconduttori e quindi entriamo di fatto in un
vasto settore che abbraccia qualsiasi tecnologia elettronica moderna, stampandola direttamente
nel pezzo con un evidente vantaggio in termini di robustezza e durabilità. Non è quindi
impossibile ipotizzare, in un prossimo futuro, la realizzazione di componentistica modulare per
cellulari, televisioni e tant’altro.
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CAPITOLO 8 - IL FUTURO E LE STAMPANTI 3D
Figura 8.10
Stampa 3D di un circuito elettronico.
Dopo esserci riferiti all’utilizzo di plastiche, resine e metalli, già oggetto di questo libro,
un’ulteriore area di materiali è quella dei catalizzatori per il cemento e miscele per il legno. Un
nostro compatriota, Enrico Dini è stato il primo a realizzare una stampante tridimensionale di
grosse dimensioni, chiamata “D-Shape” per realizzare strutture con miscele a base di sabbia
e collanti (cementi): case e sculture sono entrate così anche nel novero di produzione di tale
tecnica. Come è già stato scritto da Werner nel capitolo 1, recentemente una ditta cinese ha
realizzato 10 case, di modeste dimensioni, in 24 ore, dimostrando una velocità e flessibilità mai
riscontrata prima.
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STAMPA 3D PROFESSIONALE - DESIGN, PROTOTIPAZIONE E PRODUZIONE INDUSTRIALE
Figura 8.11
Realizzazioni artistiche realizzate con la stampante 3D “D-Shape” di Enrico Dini.
Uno dei vantaggi principali nel realizzare grosse strutture con questa tecnica, è quello di poter
inglobare sensoristica e componentistica direttamente nel pezzo, o per usare un termine
comune nel settore, realizzare una domotica integrata. Sarà possibile inserire sensori per
l’umidità, temperatura, calcolare gli spostamenti strutturali e inclinazioni, ma si potrebbe
distribuire il rapporto termico sui lati esposti della casa e tanto, tanto altro. Anche nel campo
delle ristrutturazioni, la ricreazione di pezzi non più economicamente realizzabili “manualmente”,
e la sovrapposizione ad hoc su strutture fatiscenti, costituiscono un ampio mercato.
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CAPITOLO 8 - IL FUTURO E LE STAMPANTI 3D
Sempre nell’ambito delle costruzioni edilizie, la NASA sta studiando delle stampanti su ruote un
grado di atterrare su pianeti e usare materiali in loco, mischiati con aggregatori, per realizzare
edifici in grado di offrire una certa protezione ai futuri coloni.
Figura 8.12
Stampante tridimensionale per realizzare strutture su altri pianeti.
Anche se apparterrebbero più al settore delle resine e delle colle, sono apparsi sul mercato
compositi a base polvere di legno: sotto forma di filamenti, una volta riscaldate queste miscele
vengono depositate creando un oggetto dalle stesse caratteristiche fisiche degli oggetti in fibra
intera. Questo materiale promette molte applicazioni come isolanti, riempimenti, creazione
di giocattoli, e per tutti processi di prototipazione rapida dove si vuole dare un tocco di
naturalezza all’oggetto finito. Inoltre, i prodotti realizzati possono essere tagliati, levigati o
dipinti più facilmente della versione naturale e delle altre materie plastiche/metalliche. Inoltre
in un prossimo futuro il suo costo potrebbe essere tra i più bassi in assoluto rendendolo
particolarmente gradito in caso di ulteriori manipolazioni o come materiale di supporto. È anche
molto apprezzato per la sua scarsa deformabilità.
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STAMPA 3D PROFESSIONALE - DESIGN, PROTOTIPAZIONE E PRODUZIONE INDUSTRIALE
Figura 8.13
Filamento per stampare con il Legno.
Vetro, ceramica e argilla sono anch’essi nel novero dei materiali “comuni” che possono essere
utilizzati sia per prodotti tradizionali, quali piatti, bicchieri, vasi, gioielleria ma anche isolanti
elettrici e parti di ricambio. Come avviene per la stampa di alcuni metalli che vengono, all’inizio,
legati debolmente da una prima applicazione di energia oppure da un terzo “aggregatore”,
anche per questa categoria può essere richiesto un successivo passaggio di temperatura in un
forno. Studi interessanti sono stati fatti anche riposizionando e polarizzando la loro struttura
atomica al fine di ottenere caratteristiche di non repulsione di liquidi, facilitandone la pulizia,
aumentandone l’igiene e incrementando la durata degli alimenti in essi contenuti.
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CAPITOLO 8 - IL FUTURO E LE STAMPANTI 3D
Figura 8.14
Ceramica stampata.
Sempre parlando di alimenti, si arriva a quello che potrebbe essere una delle applicazioni più
popolari in assoluto del 3d printing e che potrebbe potenzialmente ridurre al minimo le nostre
cucine: le stampanti per alimenti. Due sono gli approcci su cui si basa questo settore: il primo
utilizza ingredienti reperibili al supermercato, come olio, farina, puré di verdure, paté di carne o
pesce, cacao, aromi etc, mentre l’altro molto più sofisticato è quello che utilizza colture di cellule
“sparate” su un supporto biodegradabile che promette di ricreare alimenti a base proteica, quali
carni. Recentemente è stato stampato il primo hamburger artificiale della storia; i più coraggiosi
che lo hanno assaggiato sono rimasti delusi del sapore in quanto il gusto della carne viene
dato essenzialmente dalla presenza di cellule di grasso arrostite/bruciate durante la cottura.
Riprenderemo questo secondo argomento riguardo le culture biologiche quando parleremo del
settore medico. Già alcune pasticcerie stanno utilizzando impasti e cioccolati che richiedono un
alto grado di precisione nelle forme e nelle decorazioni, ma il panorama alimentare potrebbe
uscirne stravolto creando diete bilanciate per coloro che sono affetti da malattie o da eccessi
di peso, senza rinunciare a sapori che potranno essere calibrati per soddisfare anche i gusti più
raffinati. Del resto esistono già esempi di cibi-sosia, come il “Surimi” succedaneo della polpa di
granchio.
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STAMPA 3D PROFESSIONALE - DESIGN, PROTOTIPAZIONE E PRODUZIONE INDUSTRIALE
Figura 8.15
Le stampanti 3D per uso alimentare.
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CAPITOLO 8 - IL FUTURO E LE STAMPANTI 3D
Parliamo del settore che potrebbe portare più benefici in termini di salute e benessere. L’ipotesi
di stampare/dosare medicine direttamente in casa è stata avanzata da più università e già sono
stati realizzati alcuni esperimenti. I vantaggi sarebbero quelli stampare farmaci da remoto, sotto
prescrizione medica, variando le dosi in base alla situazione giornaliera del paziente. In realtà
questa possibilità va di pari passo con la realizzazione di due altre tecnologie che dovrebbero,
almeno sulla carta, rivoluzionare il settore della salute pubblica: il primo sistema è quello di
intelligenza artificiale dell’IBM, chiamato Watson, in grado di abbinare sintomi e suggerire
soluzioni in tempo reale ai medici, e il secondo la realizzazione del “Tricorder”, un piccolo
laboratorio portatile in grado di controllare gli indici vitali del paziente in qualsiasi momento
e locazione. L’uso combinato di questi tre sistemi sarebbe capace di rilevare le malattie
all’insorgenza delle stesse o addirittura preparare il sistema immunitario prima dell’insorgenza
di problemi. Al momento della stesura di questo libro sono previste ancora una decina d’anni
prima della realizzazione di questi sistemi complessi e rivoluzionari, che dovrebbero avere un
impatto considerevole sull’aspettativa di vita. Comunque l’utilizzo iniziale più probabile sarà
all’interno delle farmacie e ospedali al fine di creare composti efficaci e personalizzati per il
cliente in tempo reale.
Figura 8.16
La stampante 3d per medicinali, il Tricorder e il sistema di intelligenza artificiale Watson.
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STAMPA 3D PROFESSIONALE - DESIGN, PROTOTIPAZIONE E PRODUZIONE INDUSTRIALE
Sempre nel settore delle stampanti 3D ad alimentazione biologica segnalo lo studio e la
realizzazione di organi quali cuore, fegato e reni utilizzando cellule umane. La tecnica consiste
essenzialmente di due procedure di stampa, una volta a creare una struttura portante
biodegradabile, e la seconda una stampa di cellule specializzate, oppure di staminali. Sebbene
vi siano stati molti successi con i primi prototipi di organi, permangono molte problematiche
per la creazione di arterie, vene e capillari, relativi al loro stampaggio e al loro posizionamento.
Sicuramente ci vorranno ancora diversi anni, ma la strada è aperta a un futuro dove organi
danneggiati verranno riparati o ricostruiti con le proprie cellule evitando così problemi di rigetto.
Figura 8.17
Immagine concettuale di stampa di organi (cuore).
Altro settore già in avanzatissima fase di sperimentazione è quello che riguarda le stampanti
3D che depongono strati di pelle sulle parti ustionate. Le cellule sane del paziente verrebbero
fatte moltiplicare all’interno di una cartuccia con elementi nutritivi e poi stampata su un foglio
biodegradabile poggiato direttamente sulla parte ferita. Come per gli organi, alla scomparsa
della struttura di sostegno corrisponde l’aderenza delle nuove cellule, in questo caso della pelle.
Per il processo in questione possono essere utilizzate sia le stampanti tradizionali che quelle
3D, le quali però sono in grado di depositare con maggiore precisione le cellule riducendo gli
sprechi. Processi simili vengono utilizzati anche per la creazione di ossa e cartilagini.
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CAPITOLO 8 - IL FUTURO E LE STAMPANTI 3D
Figura 8.18
Stampaggio e deposizione pelle su ustioni.
Dopo aver parlato di quelli che sono i maggiori campi di studio e applicazione delle stampanti
3D, ci occuperemo del futuro dei settori adiacenti a quello manifatturiero tradizionale e quelli
per la casa/hobby. Ma prima di parlare di questi due settori dobbiamo innanzitutto definirli: ci
riferiamo a tutti quegli ambiti produttivi che non comprendono quelle piccole e medie realtà
industriali, che richiedono ancora macchinari specifici per la realizzazione di prodotti, spesso
brevettati. Il nostro obiettivo, invece, sono tutte quelle industrie che producono pezzi ad alto
contenuto tecnologico, spesso su progettazione, e anche a quelle grosse imprese che producono
utilizzando automazione e vorrebbero snellire i processi stampando componenti complessi in
pezzi unici. Questi due gruppi sono di fatto quegli enti che nel breve periodo sono in grado di
generare forti investimenti per l’introduzione della produzione per addizione. Lo stesso vale
per il settore casa/hobby; anch’esso dovrebbe essere in grado di generare, in un immediato
futuro, un volume di interesse per creare stampanti che soddisfino necessità nella vita di tutti
i giorni. Il concetto è essenzialmente che nel lungo periodo l’interesse si sposterà sue due tipi
di stampanti: quella di grosse dimensioni con alto grado di precisione e quella piccola a uso
domestico, ma altrettanto tecnologica.
Il settore aerospaziale
Partendo dalle imprese ad alto contenuto tecnologico e progettuale, il settore Aerospaziale
spicca primo tra tutti perché in esso è fondamentale aumentare le prestazioni dei pezzi, in
termini di leggerezza e robustezza, riducendo il numero degli stessi e la necessità della loro
manutenzione. È stato calcolato che per ogni chilogrammo di alleggerimento, una compagnia
aerea di grosse dimensioni può risparmiare fino a 40.000 litri di Avio in un anno. La possibilità
di consolidare più pezzi in uno, anche con parti mobili, implica per le aziende aeronautiche una
riduzione in termini di grandezza dei magazzini, tipicamente voluminosi. Inoltre, le stampanti
tridimensionali localizzate in aeroporti e centri di manutenzione possono ridurre notevolmente
le costose linee di rifornimento di pezzi semplificando anche la logistica.
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